Légköri szennyeződésterjedés modellezésének kérdései

1. Légköri szennyeződésterjedés modellezésének kérdései Levegőkémia kiselőadás Nagy Attila meteorológus III. évf. 2007. december 11.

2. Légszennyező anyagok • Elsődleges: NOx, SO2, CO, CnHm, HF,… • Másodlagos: a primer szennyezőkből keletkeznek sugárzás miatt nedvesség jelenlétében oxidáció során (pl. ózon)

3. Légszennyező anyagok • Kén-dioxid (szénégetés, kénsavgyártás, papírgyártás) • Nitrogén-oxidok (műtrágyagyártás, HNO3-gyártás, villámlás) • Szén-monoxid (tökéletlen égés) és CO2 • Ammónia (nitrogénműtrágyák gyártása) • Fluorvegyületek (üveggyártás, zománcozás, Al-kohászat, szuperfoszfát gyártása) • Szénhidrogének (metán) • Ózon (troposzférában, másodlagos légszennyező)

4. A légszennyezés hatásai Lokális: erőmű környezetében Regionális: fotokémiai szmog Kontinentális: savas esők Globális: ózonréteg elvékonyodása, üvegházhatás fölerősödése, klímaváltozás EMISSZIÓ – TRANSZMISSZIÓ – DEPOZÍCIÓ(körforgás)

5. Vizsgálati szempontok • Kibocsátási körülmények - Nem elég a koncentrációt ismerni, kell tudni a forrásokról is - vonal (közlekedés) - pont (ipar, szolgáltatók) - terület (lakossági fűtés, autók indítása) =emissziós leltár készítése - kéménymagasság - a felszín érdessége - háttér-koncentrációk (magasabb skálán kapott értékmező)

6. Összes forrásból származó nitrogén-oxidok emissziója (t/év) 2000. évi emissziós adatbázis

7. Vizsgálati szempontok • Levegőkémiai viselkedés • - kémiai reakciók ismerete, tartózkodási idő • Meteorológiai viszonyok - „napszak” - szélviszonyok, nedvesség, hőmérséklet - felhőzet - határréteg vastagsága - rétegzettség (általában nehéz kezelni, de fontos)

8. Áttekintés A modellezés eredménye jelenidőben nézve is informatív, hiszen folytonos eloszlást adva kiegészíti a diszkrét pontokból álló mérési mezőt.

9. A modellezési folyamat Kémiaikomponensek Kémiai almodell Magaslégköri adatok Dinamikusalmodell Felszíni meteorológiai adatok Felszín-, növényzet- és talajparaméterek Ülepedési modell Terjedési modell Emisszió Eredmény Ülepedési sebesség Fluxus

10. A szennyeződésterjedést leíró modellek osztályozása Statisztikus és dinamikus elv Adatsorok alapján statisztikai módszerekkel történő vizsgálat Hosszú távú előrejelzésre alkalmas – pusztán – regresszió útján Pontos előrejelzésre alkalmas, de csak rövid időre (differenciálegyenletek)

11. Statisztikus modellek Előny: • Egyszerűek, gyorsan futtathatók. Hátrányok: • Nem írják le az időben változó folyamatokat (periodicitások, egyes évek során bekövetkező változások). • Nem alkalmasak extrém helyzetek vizsgálatára és előrejelzésére (szmog-, ózonriadó), stratégiák kidolgozására nem használható!

12. Példa: CAR-modell Feladat: A CO évi átlagos koncentrációjának becslése egy utca környezetében A megoldás lépései: - háttérszennyezettség meghatározása - ch - lokális utcai kibocsátás meghatározása - E (függ: járművek típusa, átlagos sebessége, forgalomsűrűség) - a lokális koncentráció becslése - cl (E alapján, figyelembe véve az utca geometriáját, a növényzetet, és a szélviszonyokat) - c= ch+cl

13. Predictor-modell(CERC fejlesztése az ADMS-Urban alapján) A háttérszennyezettség, ill. az egyes szennyező anyagok, valamint a különböző meteorológiai helyzetekben kialakuló levegőminőségi értékek közötti korreláció-számítás eredményeit alkalmazza.

14. Dinamikus modellek Adott kiindulási helyzetből a fizikai és kémiai folyamatok matematikai leírásán keresztül becsülik az adott légszennyező koncentrációjának térbeli és időbeli alakulását. Előnyük: az időben változó folyamatok leírására is képesek, így pl. döntés-előkészítési célokra is alkalmazhatók (szmogriadó,…) Hátrányuk: fejlesztésük komoly kutatás-fejlesztést igényel gyors, nagykapacitású számítógépek kellenek

15. Dinamikus modellek Kétféle megközelítés: • Doboz-modell feltevések: ideális keveredés nincs turbulencia a konc. változás csak a 3 fő lépéstől függ Feladat: az egyes anyagfajták koncentrációváltozását leíró differenciálegyenlet megoldása 2.Terjedésimodellek

16. Terjedési modellek Skálafüggés (légszennyezők hatótávolságának függvénye) A karakterisztikus méret nő => idő is – kémiai mechanizmus alkalmas megválasztása szükséges - Utcahasadék („street canyon”) modell: egyedülálló, alacsony forrás az épületek közötti áramlás határozza meg a szennyezőanyagok diszperzióját kar. méretek: 0,1 - 2 km, illetve –idő: néhány perc-néhány óra - Lokális léptékű modell: több pont-, vonal-, vagy területi forrás Jellemző méret: 10 km (max. 100 km) Példa: város, nagyobb ipari terület

17. Terjedési modellek - Városi lépték („urban scale”): magas pont-, területi forrás néhány 10 km, max. 500 km a beépítettséget, mint felszíni érdességet veszik figyelembe - Regionális lépték („large mesoscale”): városi méretű, összetett források(„füstfáklyák”) 1500 km (Közép-Európa pl.) - Kontinentális lépték („macro scale”): regionális füstfáklyák 3000 km< - Globális lépték: A Föld teljes légköre

18. 1. Gauss-modell Magas pontforrások esetén gyakran alkalmazzák. A kontinuitási egyenletből levezethető egyszerűsítő feltevések mellett. Fontosak: - az időjárási helyzet stacionárius - nincs kémiai változás - folytonos kibocsátás időben állandó - nincs turbulens diffúzió - sík felszín, nincs ülepedés - a szélmezőnek csak egyik komponense nem 0

19. A Gauss-egyenlet és megoldása Q: kibocsátott szennyezőanyag mennyisége he: effektív kéménymagasság σy, σz : szóródási paraméterek (empirikus úton ismertek) A térbeli eloszlás így nagyon könnyen számítható, de az erős feltételek miatt használata korlátozott.

20. 2. Lagrange-modell A légáramlásokkal együttmozgó, térben homogén összetételűnek feltételezett légcellát vizsgálunk. Alkalmazása: térben és időben kissé változókoncentrációjú, hosszabb tartózkodási idejű, kevésbé reaktív anyagok előrejelzésére és térbeli eloszlására ugyanis: a turbulens diffúzió elhanyagolásával keletkező hiba csökkenthető a légcella méretének növelésével, de így a térbeli homogenitás sérül ezzel pedig a nemlineáris kapcsolat hibája is nő

21. 3. Euler-modell A 2- vagy 3D-s rácshálózat minden pontjára és minden anyagra megoldandó a koncentráció-változásokat leíró, csatolt parciális differenciálegyenlet-rendszer. C: a c1,…,cn anyagfajták koncentrációvektora V: háromdimenziós szélmező S: anyagfajták forrásai és nyelői (ülepedés, emisszió, reakciók) D: molekuláris diffúziós együtthatók vektora

22. Euler-modell Megfelelő feltételek: - divergenciamentes sebességmező - összenyomhatatlanság - a konc.változás térbeli jellemző hosszúsága nagyobb, mint a turbulens örvények jellemző mérete - nincs molekuláris diffúzió Ekkor az előbbi egyenlet kifejthető és egyszerűsíthető:

23. Numerikus megoldás 1. Térbeli diszkretizáció: Ehhez alkalmazott: hagyományos rács (négyzet, háromszög, tetraéder, téglatest…) -véges differenciák módszere -végeselem módszer -peremelemes módszer 2. Időbeli integrálás A rácspontokra oldják meg az egyenleteket úgy, hogy valamilyen állandó vagy változó időlépésenként haladunk. („method of lines” módszer= a térbeli diszkretizáció után keletkezett köz.diff. rendszer időbeli integrálása)

24. Numerikus megoldás Problémák: Az időlépés vagy a rácstávolság növelése jelentősen növeli a numerikus hibát, sőt konvergencia- és stabilitási problémákat is felvethet. A klasszikus 3D-s modell túl bonyolult a számítások miatt. A gyakorlatban ezért kvázi 2D-ós modelleket alkalmaznak. Itt a légkört rétegekre bontják fel, amelyekre külön-külön 2D-ós modellel kiszámítják a koncentrációkat. Ezután megfelelő fizikai modellek segítségével építik be a vertikális anyagátvitelt.

25. Numerikusmegoldás Egy lehetséges javítás: részecskekövetés módszere – adaptív rácsok (diszkrét részecskék koordinátáinak követése) A pályát az ismert sebességmező alapján számítják. A hagyományos rács hátránya, hogy néhol és némelyik „időpillanatban” túl elnagyolt, másik helyen vagy időben pedig feleslegesen részletes. Adaptív rácsmodelleknél a felbontás a véges felbontásból származó numerikus hibától függően sűrűsödik vagy ritkul, ezzel növelve a pontosságot és a számítási igényt.

26. Hagyományos és adaptív rácsok összehasonlítása Nagy sűrűségű, állandó felbontású rács (17,5 km) Adaptív rács, Budapestre koncentrálva

27. Adaptív rács fejlődése

41. Összehasonlítás Adaptív Finom Durva

42. Magyarországonhasznált terjedési modellek 1984-89: Központi Kémiai Kutató Intézet és OMSZ: Lagrange-típusú modell Budapestre 90-es évek közepe: Központi Fizikai Kutató Intézet Atomenegia Kutatóintézete: ISC2 Gauss-típusú – SO2 és Vanádium terjedése a magyarországi erőművekből Közelmúlt: Dasy Kft. adaptációja Bp-re: Légköri Diszperziós Modellező Rendszer városi változata – ADMS-Urban -meteorológiai előfeldolgozás -1x1 km-es felbontású emisszió-adatbázis -kémiai reakciókat is figyelembe vesz -képes épületek, utcahasadékok áramlásának szimulációjára is RODOS- rendszer: („Realtime Online Decision Support”) Egy esetleges nukleáris katasztrófa kezelésére alkalmas.

43. További példák…

44. Felhasznált irodalom Lagzi István: Környezetvédelem II. előadás (részletek) http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmkezikk1/1-04.htm Hágel Edit: A levegőszennyezés előrejelzésének légkörfizikai problémái: empirikus és kísérleti vizsgálat (Tudományos Diákköri dolgozat) http://www.otk.hu/cd05/1szek/Pataki%20Ildikó.htm#top http://members.chello.hu/dasy.kft/forecast/Budapest.htm http://www.met.hu/pages/lm/

45. Köszönöm a figyelmet!